Analyse des relations sol-paysage au sein d`un secteur de
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1. ANALYSE DES RELATIONS SOL PAYSAGE AU SEIN D UN SECTEUR DE REFERENCE EN VUE D UN ZONAGE PEDOLOGIQUE SEMI AUTOMATISE D UNE PETITE REGION NATURELLE P LAGACHERIE INRA Science du sol Montpellier C DEPRAETERE ORSTOM Hydrologie Montpellier 1 PROBLEMATIQUE ET OBJECTIF Dans la perspective de fournir un zonage agro p do climatique adapt aux besoins des utilisateurs les agronomes doivent disposer de donn es sur les sols la fois pr cises et exhaustives Ainsi par exemple la plupart des mod les simples employ s pour simuler un bilan hydrique sous culture CHOISNEL 6 demandent que soit connue en tout point de l espace la r serve utile du sol D autres mod les exigent une connaissance d taill e des propri t s hydriques de chaque couche horizon du sol FLORET et Al 11 En tout tat de cause quelle que soit la complexit du mod le retenu le recueil des donn es sur le sol par des mesures directes g n ralis es sur le terrain repr sente bien souvent un investissement sans commune mesure avec l objectif poursuivi L utilisation intelligente des cartes de sol offre une alternative cet tat de fait Pestimation des param tres d entr e d un mod le de bilan hydrique peut tre r alis e partir de variables zon es par la carte des sols Ex texture Cette alternative plus r aliste ne peut cependant pas tre envisag e court terme compte tenu de l tat d avancement des tudes de sol2. calcul partir de cette derni re Il se pr sente comme un fichier de points c t s distribu s selon un maillage r gulier Le pas du MNT fourni par l IGN ne peut tre inf rieur 75m en raison des contraintes de commercialisation impos e par la d fense nationale m ng I Dans cet esprit la m thode des secteurs de r f rence FAVROT 9 aborde l tude de la couverture p dologique par la cartographie d taill e 1 2 sondages ha d aires chantillons choisies pour tre repr sentatives d entit s g ographiques plus vastes en moyenne 30 fois plus tendues appel es petites r gions naturelles p dologiques La m thode est fond e sur hypoth se que ces derni res repr sentent des niveaux sup rieurs d organisation de la couverture p dologique caract ris s par l existence de relations complexes mais stables dans l espace associant les sols aux autres l ments composant le paysage mat riau g ologique topographie v g tation occupation humaine Ces relations peuvent tre r v l es par la cartographie d un secteur de r f rence repr sentatif pourvu que son emplacement soit choisi avec le soucis d englober dans un minimum d espace l ensemble des variations du paysage suceptibles d influer sur la variabilit spatiale de la couverture p dologique La r alit de ce niveau d organisation n a jamais fait l objet d une r elle d monstration plusieurs auteurs l ont voqu e avec des nuanc
3. en France En effet les tudes de sol moyenne chelle ne couvrent encore que 40 du territoire BORNAND et Al 12 Les tudes d taill es qui seules permettent de zoner des unit s de comportement chelles 1 10000 ou 1 5000 sont encore plus clairsem es C est pourquoi il est urgent de rechercher des m thodes de cartographie permettant de concilier rapidit pr cision et exhaustivit CARTE DES SOLS SIMPLIFIEE DU SECTEUR DE REFERENCE DE LA BRESSE JURASSIENNE o d linen Sele de someta de 1 een u Groupe Y I gale de pen les sur ej le pllo quelernelre u Groupe 4 gele de pentes sur lent Joravalernelre de hm Sreupe sola de vations Coole elluvieut o gley lenge bota eu nenas esnetruttes logiciel ARC INFO d ten C perito de le pelt ten nelwell XX A UNIT G OLOGIQUE DONNEES TOPOGRAPHIQUES Est inclus dans A pour POINT D TUDE Appartient GRou PE ME DE SOL La carte des sols initiale comprenant 17 unit s et sous unit s de sol a t simplifi e par regroupement de ces unit s en 6 grands groupes correspondant sensiblement des unit s cartographiques d une tude au 1 25 000 fig1 Ce regroupement est motiv par deux contraintes principales Environnement de travail PC MSDOS limitant la place m moir
4. est inf rieur 10 Arr t si la valeur du chi2 calcul e ci dessus reste inf rieure la valeur du chi2 correspondant au niveau de signification 596 donn par les tables de PEARSON ju Cette condition teste en fait la r alit de la diff rence entre E1 et E2 i 3 RESULTATS 5 E 1 i 8 A partir de ensemble d apprentissage sont obtenus 20 sous ensembles d finis par une expression logique figurant sur chaque branche de l arbre dichotomique Ainsi par exemple le sous ensemble n 1 occupant la feuille de l arbre situ e l extr me gauche se d finit comme suit SE1 Pi GLi 8 ou 9 et PTi lt 3 et ALi 1 et CVi lt 3 Avec Pi i me point de l ensemble de d part GLi Valeur prise en Pi par la variable GL PRES KE ET Alps Ot 0T ew m mesmo AL QVIS USING A Chacun des sous ensembles ainsi d finis est caract ris par une distribution des fr quences d apparition de chaque groupe de sol Cf Tableau 1 Seuls les groupes dont les fr quences cumul ees exc dent 0 8 figurent dans les feuilles de l arbre dans l ordre d croissant de fr quences La prise en compte de l hypoth se de repr sentativit du secteur de r f rence am ne consid rer l ensemble d apprentissage retenu comme repr sentatif de la population de points tudi e Il est donc possible d utiliser ces r sultats pour estimer loccurrence du ou des groupes de sol apparaissant majoritaireme
5. obtenue par dilatations successives r alis es partir de la carte des cours d eau permanents et intermittents enregistr e sous ARC INFO sur la base de la carte topographique La variable produite est une variable qualitative ordonn e Altitude AL pente PT convexit verticale CV Cette variable exprime la courbure du terrain selon la ligne de plus grande pente convexit horizontale CH Cette variable exprime la courbure du terrain suivant la courbe de niveau Ces 4 derni res variables sont calcul es partir du MNT par le logiciel LAMONT DEPRAETERE 7 Les calculs sont effectu s sur une fen tre 3X3 centr e sur le point tudi Les donn es issues de LAMONT tant quantitatives une discr tisation est n cessaire afin d homog n iser la nature des variables manipul es Cette discr tisation est effectu e sur la base des histogrammes de fr quence caract risant pour chaque variable la population de points tudi s Dans la perspective de l analyse des donn es ult rieure l objectif a t d obtenir des effectifs par classe comparables et un nombre de classes distingu es peu diff rent d une variable l autre entre 4 et 6 Enfin pour les 792 points du maillage situ s l int rieur du p rim tre d tude du secteur de r f rence la variable appartenance un groupe de sol peut tre renseign e au moyen du recouvrement du maillage par la carte des sols La base de do
6. cernant la puret des unit s de sols en vigueur dans diff rents pays BURINGH et Al 4 SOIL SURVEY STAFF 16 on consid re satisfaisante une pr vision dont l indice de vraisemblance est sup rieur 8096 on constate que les r gles produites ne permettent presque jamais 19 cas sur 20 d identifier de facon satisfaisante un groupe de sol unique parmi tous les autres Par contre dans 18 cas sur 20 il est possible d liminer du champ des possibilit s au moins 3 groupes de sol sur 6 si pour chaque sous ensemble la totalit des points tait estim e comme appartenant au groupe de sol qui obtient la fr quence d apparition la plus lev e la carte qui en r sulterait serait entach e d une erreur de pr vision gale 48 ce chiffre correspond au nombre de points mal class s rapport au nombre total d individus de l ensemble d apprentissage L analyse du r sultat global de la m thode employ e cache en fait des disparit s relatives la nature des sols que l on cherche pr dire C est pourquoi des cartes de pr vision de chaque groupe de sol t r alis es partir de l arbre dichotomique obtenu fig 4 5 6 7 8 et 9 un regroupement des sous ensembles produits a t effectu en fonction de la fr quence d apparition du groupe de sol concern Ce regroupement est effectu de facon respecter un d coupage pr d fini en 4 unit s de pr vision pr sence probable union des sous ensembles qu
7. e d tat INAPG sols n 13 13 IGN 1977 Carte topographique de la France au 1 25000 feuille de Poligny Ouest 14 ITCF 1988 Logiciel STATITCF version 4 0 manuel d utilisation 15 LAGACHERIE 1983 Etude p dologique pr alable au drainage du secteur de r f rence de la Bresse jurassienne Op ration ONIC MINAGRI INRA Montpellier SES n 563 148p 16 SOIL SURVEY STAFF 1951 Soil Survey manual USDA handbook 1888 Washington D C 17 SMECK N E RUNGE E C A MACKINTOSH E E 1983 Dynamics and genetic modelling of soils systems In Pedogenesis and soil taxonomy 1 Concepts and interaction 51 81 18 WALKER P A MOORE D M 1988 SIMPLE An inductive modelling and mapping tool for spatially oriented data International Journal of Geographical Information Systems 1988 Vol 2 n 4 RESUME Nous tudions les contributions respectives des MNT de PIGN et des cartes g ologique un zonage p dologique semi automatis int ressant une petite r gion naturelle pr alablement caract ris e par un secteur de r f rence A Tint rieur du p rim tre du secteur de r f rence sont organis es au sein d un syst me d information g ographique logiciel ARC INFO les informations relatives la carte des sols aux descripteurs topographiques d riv s du MNT logiciel LAMONT Ch Depraetere ORSTOM et la carte g ologique au 1 0000 Un programme de segmentation STATITCF
8. e disponible pour traiter l information N cessiter de disposer pour chaque unit de sol trait e d une superficie suffisamment vaste au moins sup rieure 5 ha pour tablir des relations statistiques significatives avec les descripteurs du paysage 2 METHODE EMPLOYEE la recherche des relations sol topographie et sol g ologie partir de la carte des sols comprend deux tapes Sur le secteur de r f rence et sur une zone d extrapolation d environ 2500 hectares organisation et croisement de toutes les donn es disponibles sur les sols la topographie et la g ologie au sein d un Syst me d Information G ographique SIG Le logiciel employ est ARC INFO ESRI 8 Analyse de donn es permettant d tudier les corr lations entre d une part la pr sence d un groupe de sol et d autre part les valeurs prises par les diff rents descripteurs topographiques et g ologiques 21 Organisations des donn es disponibles au sein d un SIG ARC INFO Si l ensemble du territoire francais n est pas couvert de facon exhaustive par les cartes de sol il n en va pas de m me pour les cartes g ologiques et topographiques Ainsi sur l ensemble de la petite r gion naturelle p dologique repr sent e par le secteur de r f rence de la Bresse jurassienne il est possible d utiliser la carte g ologique au 1 50 000 BRGM 3 La carte topographique au 1 25 000 IGN 13 Le mod le num rique de terrain MNT
9. es concernant son appellation pedological province SMECK et AI 17 p dopaysage GIRARD 12 syst me g o p dologique r gional CALLOT 5 D autres l ont admise implicitement leur travaux s attachant rechercher des lois de distribution des sols au sein d entit s g o p dologiques bien individualis es BORNAND 1 Les premiers r sultats disponibles concernant la repr sentativit de 5 secteurs de r f rence FAVROT 10 semble montrer leur tour l int r t et la r alit du concept de petite r gion naturelle et d aire chantillon qui s y rattache Si l on accepte cette hypoth se de travail la d marche cartographique mise au point et employ e au cours de l tude du secteur de r f rence peut tre appliqu e au zonage des sols de l ensemble de la petite r gion naturelle p dologique Dans le but d objectiver et d automatiser cette extrapolation il convient de formaliser les lois de distribution des sols dans le paysage que le p dologue utilise au cours de la cartographie pour extrapoler une surface ses observations ponctuelles Ces lois doivent permettre en effet d estimer l occurence d une unit de sol du secteur de r f rence en un lieu o il n y a pas de sondage p dologique gr ce la prise en compte des descripteurs du paysage ais ment disponibles sur l ensemble du territoire tudier Dans cette perspective l objectif du travail pr sent est de rechercher puis de
10. formaliser les relations sol topographie et les relations sol g ologie partir de la carte des sols et des divers documents disponibles caract risant le paysage de la petite r gion naturelle p dologique d en valuer l int r t potentiel pour une future automatisation de la d marche cartographique L exemple trait concerne le secteur de r f rence de la Bresse Jurassienne LAGACHERIE 15 situ au sein d une vaste unit g ologique connue sous le nom de foss bressan Ce secteur divis en 2 sous secteurs totalisant 540 ha a t choisi pour tre repr sentatif d une des petites r gions naturelles p dologiques du foss bressan Celle ci couvre environ 8000 ha centr s sur le canton de Chaumergy Jura s m m T Te A Rem A partir de ces informations de base sur chaque point r guli rement r parti selon un maillage correspondant celui du mod le num rique de terrain pas de 75 m tres sont d duites ou calcul es les variables suivantes Appartenance a Pune des unit s de la carte g ologique GL Cette variable est obtenue apr s simple recouvrement overlaying du maillage de points par la carte g ologique Il s agit d une variable qualitative Distance par rapport aux axes de drainage naturels DI Cette variable est d duite au moyen d un recouvrement du maillage de points par une carte de classes d isodistances Celle ci est
11. hnics and methods of soil survey in the Netherlands Neth J Agric Sci 10 157 172 5 CALLOT G 1977 Logique de la distribution des sols et formations superficielles sur une plate forme calcaire Notion de syst me g o p dologique r gional Exemple de la r gion Nord Aquitaine Science du sol n 4 189 205 6 CHOISNEL E 1985 Un mod le agrom t orologique op rationnel de bilan hydrique utilisant des donn es climatiques In Les besoins en eau des cultures conf rence internationale Paris 11 14 septembre 1984 INRA Paris 7 DEPRAETERE C 1989 LAMONT logiciel d application des mod les num riques de terrain manuel d utilisation Laboratoire d hydrologie ORSTOM Montpellier 8 ESRI 1987 PC ARC INFO users guide 9 FAVROT J C 1981 Pour une approche raisonn e du drainage agricole en France La m thode des secteurs de r f rence Compte rendu Acad Agric France p 716 723 10 FAVROT J C 1989 Une strat gie d inventaire cartographique grande chelle La m thode des secteurs de r f rence Science du sol n pp 11 FLORET C PONTANIERT R RAMBAL S 1982 Measurement and modelling of primary production and water use in a south Tunisian steppe Journal of arid environments 5 on 77 90 12 GIRARD MC 1983 Recherche d une mod lisation en vue d une repr sentation spatiale de la couverture p dologique Application une r gion des plateaux jurassiques de Bourgogne Th s
12. i permet d obtenir une fr quence d apparition globale sup rieure 0 8 pr sence assez probable union des sous ensembles qui permet d obtenir une fr quence d apparition globale comprise entre 0 6 et 0 8 pr sence quasi exclue union des sous ensembles qui permet d obtenir une fr quence d apparition inf rieure 0 05 pr sence possible union des sous ensembles qui n ont pu tre affect s aux unit s pr c dentes Les fr quences d apparition globales varient de 0 05 0 6 Puisque les unit s ainsi cr es r sultent de l union des sous ensembles produits par l arbre dichotomique il est galement possible de les d finir au moyen des variables utilis es dans la dichotomie Ainsi l expression logique caract risant chaque unit sera obtenue par l union des expressions logiques caract risant chaque sous ensemble r unis D s lors pour chaque carte de pr vision d un groupe de sol donn tous les points pourront tre affect s l une des unit s d finies ci dessus EL LEGENDE tres probable frequence d apparition superieure a 88 isence assez probable frequence d apparition comprise entre 68 et i isence possible C frequence d apparition comprise entre 5 et 68 gt isence k quosi impossible C frequence d apparition inferieure SX I d estimations C artefacts lies au MNT gt perimelre du secteur de reference S48ha perimetre d extrapolation Cenviro
13. la segmentation permet de d finir une partition optimale de l ensemble des 792 points en sous ensembles les plus homog nes possibles vis vis de la variable groupe de sols et d finis par des expressions logiques impliquant les variables explicatives disponibles Pour obtenir la partition d sir e de l ensemble des 792 points la m thode de segmentation r alise des dichotomies successives conduisant la construction d un arbre Fig3 Chaque dichotomie correspond un d coupage sp cifique des modalit s d une des variables explicatives Le choix de la dichotomie optimale est r alis de facon maximiser un indice de distance entre les deux sous ensembles produits qui prend uniquement en compte la variable groupe de sol La m thode ELISEE utilis e dans le cadre du logiciel STATITCF ITCF 14 utilise comme indice de distance D ELE2 avec E1 E2 Sous ensembles induits par la dichotomie n Nombre total d individus dans ce cas 792 calcul sur le tableau de contingence entre la variable groupe de sol et la variable retenue pour la dichotomie les modalit s de cette derni re tant regroup es selon E1 et E2 L algorithme de segmentation effectue ainsi plusieurs dichotomies successives tant que les sous ensembles produits ne r pondent pas aux conditions d arr t d finies par l utilisateur Dans l application pr sent e ces conditions sont les suivantes Arr t si l effectif d un sous ensemble produit
14. les Par ailleurs Punit topographique de pente peut tre consid r e comme une unit fourre tout o sont class es les situations topographiques n appartenant pas aux pr c dentes unit s Il est donc normal que les descripteurs topographiques soient moins m me de les caract riser Cependant malgr ces handicaps l estimation des p losols pseudogley groupe 3 caract ristiques des faci s les plus argileux est utile puisqu elle permet d exclure l ventualit de la pr sence de ces sols fortes contraintes sur des surfaces importantes 4 CONCLUSION Ce travail a permis de v rifier qu il est possible de formaliser des relations sol paysage partir des informations provenant d une cartographie des sols r alis e au cours d une tude de secteur de r f rence Ces relations fournissent une pr diction de l occurrence d un sol valable en tout point de la petite r gion naturelle sous r serve que le secteur de r f rence en soit r ellement repr sentatif L efficacit de cette pr diction variable suivant le type de sol envisag reste encore entach e d une incertitude importante Ceci tient plusieurs facteurs suceptibles d tre am lior s qualit et pas du mod le num rique de terrain perte d information li e la discr tisation des variables topographiques absence de prise en compte des niveaux d organisations interm diaires de la couverture p dologique topos quences unit s de
15. n 258Bha S MW My Po N ANS N EIN N NE SES S TA vu ee au L examen des cartes obtenues confirme les disparit s attendues entre les diff rents groupes de sols les estimations efficaces concernent les sols alluviaux gley groupe 6 et dans une moindre mesure les sols lessiv s pseudogley sur limons de sommets de buttes groupe 1 Ces sols occupent en effet des situations topo g ologiques tr s caract ristiques et bien d crites par les variables employ es la nature des situations topographiques qui caract risent les sols colluviaux a pseudogley groupe 5 limite l efficacit des estimations en effet il semble que le pas de 75 m du mod le num rique de terrain ne puisse pas permettre de calculer des descripteurs suceptibles de rendre compte des micro thalwegs occup s par ce type de sol Ceci explique en partie la relative extension de la zone de pr sence possible de ce groupe de sols les groupes de sol caract ris s par leur position topographique de pente groupes 2 3 4 pr sentent les estimations les moins efficaces Ceci est du en partie aux nombreux changements de faci s g ologiques affleurant sur la pente et g n rant chacun un groupe de sol particulier Ces faci s ne pouvant tre zon s sur la carte g ologique au 1 50 000 il n est donc pas possible de les isoler avec les descripteurs disponib
16. nn es du Syst me d information g ographique poss de d s lors sa structure d finitive fig 22 Recherche des relations sol paysage Me na y DI Q or c 223 NT o s Ns ob EN 162 Cer E E re 2 7 148 oe it re a Q Oo JE Y v Lad as as a2 az as Ga a4 as a2 as as 04 38 10 43 50 31 22 23 38 as Ga G2 43 E lt id G5 G3 G2 63 ARBRE DICHOTOMIQUE DISCRIMINANT LES GROUPES DE SOL DU SECTEUR DE REFERENCE EN FONCTION DE CRIT RES TOPO G OLOGIQUES segmentation sur 792 Individus et 8 variables explicatives CV 3 z lt m ae as as Ge 1 a 1 a bos E Pa nE E T Es Busk rein k Pe Seg i i Chacun des 792 points inclus dans le p rim tre du secteur de r f rence permet d tablir une relation l mentaire entre l occurrence d un groupe de sol et l ensemble des descripteurs g ologiques et topographiques voqu s plus haut Cette population de points constitue un ensemble d apprentissage partir duquel il est possible de rechercher des relations statistiques ayant un caract re pr dictif pour l estimation d un groupe de sol partir des autres variables Ce probl me est trait par la segmentation m thode d analyse de donn es qualitatives surtout utilis e en sciences humaines en m decine et plus r cemment en cartographie cologique WALKER et Al 18 Dans notre cas
17. nt dans chaque ensemble cr Chaque estimation sera affect d un indice de vraisemblance IV compris entre 0 et 1 et correspondant aux fr quences d apparition calcul es Ainsi par exemple pour l ensemble 1 nous pouvons tirer les r gles d estimations suivantes si GLi 8 ou 9 si PTi 3 si Ali 1 etsi CVi 3 Alors Pi appartient G6 IV 0 78 Pi appartient G6 ou GS IV 1 Pi n appartient pas G1 U G2 U G3 U G4 IV 1 Il ressort de l interpr tation de l arbre dichotomique par cette m thode les Observations suivantes EE eg Ea Eum nh weenie nee 4 Se ECT Mp out m RU REO FE EAU 3 A e O A a e EE Ga AS A mei 7 Dee mpg epu Sem os ME ufo fo f fo fe To Tele Tale du n a oe e oc o e pe e ps oa e pron se of o o as pales 133 a lise ESS o Jan 60 4 ua 553 fers 322 o mo 21 ora EEE 55 26 33 r d Ww do 2 2 vov P n u i Epio A J e at Aa das du bimn 220 m pup ck sl un um cla SE ol fos dus qe fa Yensemble des variables descriptives du paysage pressenties sont utiles pour estimer les groupes de sol Cependant seule la variable GL appartenance une unit g ologique intervient syst matiquement dans toutes les expressions logiques si l instar des normes con
18. paysage l mentaires Malgr ces am liorations potentielles il est douteux que les relations permettant d isoler les 17 unit s l mentaires du secteur tudi soient exprimables sous la forme pr sent e dans ce travail c est dire avec de simples expressions logiques valables sur tout l espace C est pourquoi il semble difficile de faire l conomie d une approche de type syst mes expert Dans cette perspective le travail pr sent doit tre consid r comme une m thodologie d acquisition de la base de connaissance de ce syst me expert apprentissage Par ailleurs les relations sols paysage mise en vidence fournissent les bases d une v rification exp rimentale de la repr sentativit du secteur de r f rence et donc de la r alit du niveau d organisation que nous avons appel petite r gion naturelle BIBLIOGRAPHIE 1 BORNAND M 1978 Alt ration des mat riaux fluvio glaciaires gen se et volution des sols sur terrasses quaternaires dans la moyenne vall e du Rhone These d etat Universit des Sciences et Techniques du Languedoc 302p 2 BORNAND M JAMAGNE M 1987 Cartography of soils of France Assessment evolution and prospects Seminar EEC Seville DG VI on land evaluation from mediterranean region 11p 3 BRGM 1977 1977 Carte g ologique de la France au 1 50 000 feuille de Poligny 4 BURINGH P STEUR G GL VINK A P A 1962 Some tec
19. permet de construire un arbre de d cision dichotomique combinant les divers descripteurs du milieu dans le but d estimer l occurence d un groupe d unit s de la carte des sols en tout point de l espace Si les combinaisons obtenues ne peuvent isoler 5 des 6 groupes de sols cartographi s dans le secteur de r f rence elles permettent cependant d exclure a priori en tout point de l espace au moins 3 groupes sur 6 avec une probabilit sup rieure 80 O R S T U M Funus 6 DEC 1994 2 AGI 7 0
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